JP2000024898A

JP2000024898A - 研削加工装置および研削加工方法

Info

Publication number: JP2000024898A
Application number: JP10193173A
Authority: JP
Inventors: Mitsuoki Hatamoto; 本光興畑; Hiroshi Kondo; 藤寛近
Original assignee: Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 1998-07-08
Filing date: 1998-07-08
Publication date: 2000-01-25

Abstract

(57)【要約】【課題】球面または非球面加工における砥石の長寿命
化および加工品質の向上。【解決手段】砥石台２０を旋回装置３２を介してＹ軸
サドル３０に取り付けて、砥石台２０をＹ方向に昇降可
能かつＸ方向を向いた旋回軸線Ｑを中心として旋回可能
とする。砥石の外周面を曲率半径ｒ（一定）の曲面とす
る。砥石台２０の旋回角度を変化させることにより、砥
石２２のワークＷとの接触部位を連続的に変化させる。
砥石台２０の旋回角度の変化に合わせて、Ｙ軸サドル３
０を上下動させ、Ｘ方向から見た場合にワークＷと砥石
２２の接点をワーク軸１１上に常に位置させた状態で加
工を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は研削加工装置および
研削加工方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の球面（若しくは非球面）研削加工
方法の例を図７乃至図９に示す。

【０００３】図７および図８は第１の従来例を示す図で
あり、本従来例においては、Ｚ軸方向を向いたワーク軸
１０１の先端にワークＷが取り付けられ、円板状の砥石
（平形砥石）１０２の回転中心軸線がＹ軸方向を常に向
くように砥石台（図示せず）の研削工具軸（図示せず）
に軸承される。砥石１０２は、正面（Ｘ方向）から見た
場合に（図７（ｂ）参照）砥石１０２とワークＷの加工
面との接点がワーク軸１０１の回転中心軸線上に常に位
置するように（Ｙ座標一定）に保持される。そして、ワ
ーク軸１０１のＺ軸方向の進退動作と砥石台すなわち砥
石１０２のＸ軸方向の進退動作の組合せにより、ワーク
Ｗの加工面が研削加工される。

【０００４】球面研削加工を行う場合、ワークＷと砥石
１０２とは面接触ではなく点接触的な接触形態となって
いる。このため、上記の研削加工に使用される砥石１０
２の外周縁は、一律の曲率ｒの曲面となるようにツルー
イングされている。

【０００５】ツルーイングは、図８に示すように、砥石
１０２を研削工具軸に取付け、首振り式のツルアー１０
３をワーク軸１０１に取り付けて行われる。これは、ワ
ーク軸１０１の回転中心軸線上に砥石１０２の最大外周
部分（工具軸からの距離が最大の部分を意味する）が位
置するようにするためである。そして実際のワークＷの
加工時には、砥石の回転中心軸線からの距離Ｒが一定の
前記最大外周部分のみを用いて加工が行われる。

【０００６】図９は、第２の従来例を示す図であり、本
従来例においては微小径砥石１０４をワーク軸１０１の
回転中心軸線に対して傾斜させて、所定の曲率ｒ’にツ
ルーイングされた微小径砥石１０４のエッジを用いて加
工が行われる。本従来例においても、微小径砥石１０４
の回転中心軸線からの距離が一定の最大外周部位のみを
用いて加工が行われる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のよう
に、砥石の同一位置で継続的に加工を行うと、図８に破
線で示すように、砥石１０２の局所的な（最大外周面の
みに）摩耗が発生する。

【０００８】砥石の摩耗が発生すると、研削加工の数値
制御の基準となる値の一つである砥石とワークＷの接点
から砥石の回転中心軸線までの距離Ｒ（図８参照）が変
化する。このため、加工寸法精度の低下という問題が発
生する。

【０００９】また、砥石は砥粒をバインダーで結合した
ものでありミクロ的に見れば砥粒密度および切れ刃は部
位毎に異なる。このため、砥石は全周にわたって均等に
摩耗するのではなく不均一に摩耗するため、ワークＷと
の接点である砥石の最大外周部に真円度の低下や凹凸が
生じる。このため、加工精度の低下、加工面の表面粗さ
の悪化、さらにはびびり等の発生要因となる。

【００１０】このため、大径のワークを加工することが
不可能となったり、繰り返しの必要な補正加工の回数が
制限されるなど、超精密加工を行う場合に大きな問題と
なっている。

【００１１】なお、砥石を頻繁にツルーイングすること
により上記問題を解決できないわけではないが、これに
は多大な時間および労力が必要であり、またツルーイン
グによる砥石の寸法変化に伴いその都度ＮＣデータを変
更する必要もある。

【００１２】本発明は、上記実状に鑑みなされたもので
あり、砥石の長寿命化を図ることができる研削加工方法
および装置を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、先端部にワークが取り付けられるワーク
軸を回転可能に軸承するとともにＺ方向に進退可能な主
軸台と、研削工具が取り付けられる研削工具軸を回転可
能に軸承する砥石台と、前記砥石台を支持するととも
に、前記Ｚ方向と直交するＹ方向に前記砥石台を進退さ
せるＹ方向移動装置と、前記Ｚ方向およびＹ方向と直交
するＸ方向を向いた旋回軸を中心として前記砥石台を旋
回させる旋回装置とを備えた研削加工装置を提供する。

【００１４】また、本発明は、Ｚ方向を向いたワーク軸
にワークを取り付けて回転させながら、研削工具軸に取
り付けられた回転する研削工具を前記ワークに接触させ
て前記ワークを研削する研削加工方法において、一定の
曲率を持った外周部を有する研削工具を用い、前記砥石
台を前記Ｚ方向と直交するＸ方向を向いた旋回軸回りに
旋回させるとともにその旋回角度に応じて前記研削工具
をＺ方向およびＸ方向に直交するＹ方向に移動させ、前
記ワークと前記砥石の接触点のＹ座標を一定に維持しな
がら、前記砥石の外周部の互いに異なる位置をワークに
接触させて研削を行うこと研削加工方法を提供する。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態について説明する。図１乃至図６は本発明の一
実施形態を示す図である。

【００１６】図１に示すように、ベット１上には、Ｚ方
向（本例においては水平方向）に移動可能なＺ軸スライ
ドテーブル１３が設けられている。Ｚ軸スライドテーブ
ル１３には、主軸台１０が固定されている。主軸台１０
には、主軸すなわちワーク軸１１がＺ方向と平行な軸線
回りに回転可能に軸承されている。主軸台１０には、ワ
ーク軸１１を回転させるための主軸モータ１２が取り付
けられている。

【００１７】また、ベット１上のＺ軸スライドテーブル
１３の近傍には、Ｚ方向と直交するＸ方向（本例におい
てはＺ方向と直交する水平方向）に移動可能なＸ軸スラ
イドテーブル３３が設けられている。Ｘ軸スライドテー
ブル３３には、Ｙ方向（本例では鉛直方向）に延びるＹ
軸コラム３１が立設されている。Ｙ軸コラム３１には、
Ｙ軸サドル３０が昇降可能に取り付けられており、Ｙ軸
サドル３０はＹ軸コラム３１に沿って上下動する。

【００１８】Ｙ軸サドル３０には、サーボモータ等の駆
動装置を含む旋回装置３２を介して砥石台２０が取り付
けられている。砥石台２０は、旋回装置３２により、Ｘ
方向を向いた旋回軸線（図１では点Ｑで示す）を中心と
して旋回可能となっている。砥石台２０は、砥石台２０
に内蔵された図示しないモータにより駆動される研削工
具軸２１を有し、この研削工具軸２１に砥石２２が取り
付けられる。

【００１９】なお、Ｘ軸スライドテーブル３３、Ｙ軸サ
ドル３０、Ｚ軸スライドテーブル１３、旋回装置３２の
動作は、図示しない制御装置により数値制御される。

【００２０】次に、本実施形態の研削加工装置を用いて
ワークＷを加工する方法について図１乃至図６を参照し
て説明する。なお、図３および図４においては、図面の
簡略化のため、ワークＷの被加工面の曲率半径を実際よ
り小さく記載しているが、当然のことながらワークＷの
被加工面の曲率半径は少なくとも砥石の最大半径（ｒ＋
Ｌ2）より大きい。

【００２１】まず、図２に示すように、砥石２２の軸２
３を砥石台２０の研削工具軸に２１に取り付ける。そし
てワーク軸１１にツルアーＴを取付けて、砥石２２のツ
ルーイングを行う。ここでツルアーＴは、例えばワーク
軸１１を中心として揺動運動が可能な首振り式のツルア
ーが使用される（図２（ｂ）参照）。

【００２２】なお、砥石２２の縁形は図示のものに限定
されるものではなく、外周面の曲率ｒが砥石２２の軸２
３方向に関して一定であればよい。

【００２３】ツルーイングを行う際には、砥石台２０の
旋回角度θa（＝θb）を０度、すなわち砥石台２０を中
立位置として、かつツルーイング中心Ｏ（砥石２２の縁
の輪郭となる円弧の中心を意味する）のＹ座標とワーク
軸１１の軸線のＹ座標を同じにした条件で、ツルーイン
グを行う。

【００２４】次に、図３に示すように、ツルアーＴに代
えてワーク軸１１にワークＷを装着する。なお、このと
き、砥石２２の砥石台２０への装着状態は変化させな
い。

【００２５】上述したように、ツルアーＴをワーク軸１
１に装着してツルーイングを行っているため、砥石のツ
ルーイング中心Ｏとワーク軸１１中心とが一致するか
ら、砥石２２はその最大外径部分でワークＷの中心に接
触する。更に、砥石台２０を中立位置（旋回角度が０度
の位置）とした場合、砥石２２の最大外径部分を結ぶ線
２４（この線２４はツルーイング中心Ｏを含む）は、Ｘ
方向から見た場合ワーク軸と完全に一致する（図３参
照）。これにより後述する数値制御用の演算が単純化さ
れる。

【００２６】そして、砥石台２０を所定角度旋回させて
研削工具軸２１の軸線を傾斜させる。例えば図４の左側
に示すように、研削工具軸２１の軸線をＹ方向に対して
所定角度θbだけ傾斜させる。更に、Ｙ軸サドル３０を
下降させて、Ｘ方向（図３紙面垂直方向）から見た場合
にワークＷと砥石２２との接点がワーク軸１１の軸線上
に位置するように（すなわちツルーイング中心Ｏが常に
ワーク軸１１の軸線上に位置するように）調節する。

【００２７】この状態で、ワークＷに対して研削工具が
図６に示すような経路２５を通るように、Ｚ軸スライド
テーブル１３とＸ方向スライドテーブル３３の動きを組
み合わせて２軸制御によりワークＷの研削加工を行う。

【００２８】研削加工を進めて行く際、図４に示すよう
に、研削工具軸２１の軸線の傾斜角度を変化させてゆ
き、砥石２２のワークＷとの接触部位を徐々に変化させ
てゆく。この場合、砥石２２とワークＷとの接点がワー
ク軸１１の軸線上に常に位置するように、研削工具軸２
１の傾斜角度の変化に合わせてＹ軸サドル３０の位置を
変化させる。

【００２９】なお、図６に示すように砥石２２とワーク
Ｗの接触位置をワークＷの外周側から内周側へと変化さ
せて行く過程で、Ｚ軸スライドテーブル１３をＺ方向に
後退（図４の左側への移動）させてゆくのであるが、上
記のように研削工具軸２１の傾斜角を変化させると、砥
石２２のＺ座標が変化する（本例では砥石２２が図４右
側方向に移動する）ため、Ｚ軸スライドテーブル１３の
移動量の設定は、砥石２２のＺ軸方向に関する位置変化
量を考慮して行う必要がある（この点については後述す
る）。

【００３０】このようにして、研削工具軸２１の軸線の
傾斜角度θbを徐々に小さくしてゆき、傾斜角度が０度
となったら、研削工具軸２１の軸線を反対方向に引き続
き傾斜させてゆく（図４右側参照）。

【００３１】このように、研削工具軸２１の軸線の傾斜
角度および研削工具軸２１の旋回中心ＱのＹ座標を関連
づけて変化させてゆくことにより、砥石２２とワークＷ
との接点をワーク軸１１の軸線上に常時位置させるとと
もに、常に砥石２２の新しい加工面をワークＷに接触さ
せて加工を行うことができる。このため、砥石の摩耗を
極限まで小さくできるから、加工精度を確保しつつ研削
工具の寿命を延ばすことができる。

【００３２】次に、上記の手順で研削加工を実行するに
あたって、ワークＷのＺ方向位置と、砥石台２０の旋回
角度およびＹ方向位置との関係について、図４および図
５を参照して説明する。

【００３３】研削工具軸２１の軸線を一側に角度θaだ
け傾斜させた場合（図４右側参照）の研削工具軸の旋回
中心Ｑの位置をＱaとし、研削工具軸２１の軸線を他側
に角度θbだけ傾斜させた場合（図４左側参照）の研削
工具軸２１の旋回中心Ｑの位置をＱbとすると、研削工
具軸２１の旋回角度に関わらず砥石２２とワークＷとの
接点のＹ座標を常に一定にするには、研削工具軸２１の
旋回中心ＱはＹ軸方向に沿って移動しなければならない
から、ワーク軸１１の軸線と点Ｑaおよび点Ｑbを通る直
線とは、Ｘ方向から見た場合直交する。

【００３４】また、砥石２２の外周を曲率ｒでツルーイ
ングしているため、研削工具軸の軸線の傾斜角度（θa
またはθb）の値に関わらず、ツルーイング中心Ｏ（以
下、研削工具軸の軸線の傾斜角度がθaの場合のツルー
イング中心ＯをＯa、θbの場合のツルーイング中心Ｏを
Ｏbとも言う）は、ワーク軸１１の軸線上に常に位置し
ている必要がある。

【００３５】また、ワーク軸の軸線と点Ｑaおよび点Ｑb
を通る直線の交点Ｐの座標は不変であるから、点Ｐを基
準とした（原点とみなした）場合の点Ｑaおよび点Ｑbの
Ｙ座標をそれぞれＱay、Ｑbyとすると、これらＱay、Ｑ
byおよびθa、θbは以下の手順により定めることができ
る。

【００３６】以下、場合分けして説明する。まず、研削
工具軸２１の軸線が角度θaで傾斜している場合（図４
右側の場合）について説明する。図５（ａ）より、

【００３７】

【数１】であるから、（式ａ）を（式ｂ）に代入すると、

【００３８】

【数２】が得られる。また、

【００３９】

【数３】であるから、θa1およびθa2はそれぞれ、

【００４０】

【数４】で表される。従って、θaは、

【００４１】

【数５】により算出することができる。なお、上記（式２）にお
いて、Ｌ1：研削工具軸の軸線方向に沿って測定した旋回中
心Ｑからツルーイング中心Ｏまでの距離、すなわち線分
ＱaＡの長さ（点Ａは砥石２２の最大外径部分を結ぶ線
２４と研削工具軸２１の軸線のＸ方向から見た交点）Ｌ2：研削工具軸２１の軸線からツルーイング中心Ｏ
までの距離、ｄa：点Ｐから点Ｏ（Ｏa）までの距離、である。

【００４２】次に、研削加工軸２１の軸線が角度θbで
傾斜している場合（図４左側の場合）について説明す
る。図５（ｂ）より、

【００４３】

【数６】であるから、（式ｆ）を（式ｇ）に代入すると、

【００４４】

【数７】が得られる。また、

【００４５】

【数８】であるから、θbは、

【００４６】

【数９】により算出することができる。なお、上記（式４）にお
いて、Ｌ1：研削工具軸の軸線方向に沿って測定した旋回中
心Ｑからツルーイング中心Ｏまでの距離、すなわち線分
ＱbＡの長さ（点Ａは砥石２２の最大外径部分を結ぶ線
２４と研削工具軸２１の軸線のＸ方向から見た交点）Ｌ2：研削工具軸２１の軸線からツルーイング中心Ｏ
までの距離、ｄb：点Ｐから点Ｏ（Ｏb）までの距離、である。

【００４７】上記（式１）〜（式４）に基づいて、研削
工具軸２１の軸線の旋回角度および研削工具軸２１の旋
回中心ＱのＹ座標を設定すれば、砥石２２のツルーイン
グ中心Ｏはワーク軸１１の軸線と同じＹ座標を維持する
ことができる。

【００４８】従って、ワークＷの加工形状に対する曲率
ｒ（一定）のツルーイング中心Ｏの移動軌跡は、通常の
半径の一定したバイト或いはエンドミルの加工軌跡と同
様に設定できるから、これに旋回角度θa（またはθb）
または旋回中心ＱのＹ座標を設定することにより、Ｚ座
標を設定することができる。

【００４９】なお、超精密加工を行うためには、Ｌ1，
Ｌ2，およびｒの値を高精度に読み取ることが必要であ
る。以下、その方法について説明する。なお、ｒを直接
求めることは困難なため、ｒは間接的に求める。

【００５０】（１）Ｌ1を求める方法砥石台２０に砥石２２を装着して、砥石台２０の旋回角
度θa（＝θb）を０度として、かつツルーイング中心Ｏ
のＹ座標とワーク軸１１の軸線のＹ座標を同じにした条
件で、ツルーイングを行う。

【００５１】このときの点ＱのＹ座標Ｑoy及び点ＰのＹ
座標Ｐyから、Ｌ1は、Ｌ1＝Ｑoy−Ｐy・・・（式５）により求めることができる。

【００５２】（２）Ｌ2およびｒを求める方法まず、砥石２２の半径Ｄ／２を求める。半径Ｄ／２を求
めるにあたっては、ワーク軸１１に基準片（図示せず）
を装着して、砥石台２０の旋回角度θa（＝θb）を０度
として、ツルーイング後の砥石２２を砥石台２０に装着
したまま、基準片に砥石２２の最外周を接触させ、ワー
ク軸１１すなわち基準片のＺ座標（線ＱaＱbのＺ座標は
０とする）を検出する。この場合、検出されたＺ座標
が、そのまま砥石の半径Ｄ／２となる。なお、砥石の直
径を直接測定することにより半径Ｄ／２を求めてもよ
い。Ｄ／２は、下式（６）で表すことができる。Ｄ／２＝ｒ＋Ｌ2＝Ｒ0・・・（式６）

【００５３】次に、工具軸を角度θbだけ傾斜させ、基
準片に砥石の最外周を接触させる。そして、基準片のＺ
座標からｒ＋ｄbを求める。ここで傾斜角をθb’とする
と

【００５４】

【数１０】であり、従って、（式６）−（式７）より、

【００５５】

【数１１】となり、（式５）および（式８）より、Ｌ2は、

【００５６】

【数１２】により求めることができる。また、（式６）および（式
９）より、ツルーイング曲率ｒは、

【００５７】

【数１３】により求めることができる。

【００５８】以上のようにして、Ｌ1，Ｌ2，およびｒの
値を求めることができる。

【００５９】Ｌ1，Ｌ2，およびｒが求まれば、これらの
数値を（式１）〜（式４）に適用することにより、Ｙ軸
サドル３０および旋回装置３２を適宜数値制御すること
により、工具軸の旋回角度に関わらず研削工具とワーク
の接点のＹ座標が常に一定の条件で加工を行うことがで
きる。

【００６０】なお、上記実施形態においては、Ｙ軸が垂
直方向の軸、Ｘ軸およびＺ軸が互いに直交する水平方向
の軸であったが、これに限定されるものではない。すな
わちＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、直交座標系を構成する３
つの互いに直交する軸のいずれかであればよく、例え
ば、Ｚ軸が垂直方向の軸であってもよい。

【００６１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
砥石のツルーイング面の広範囲を使用することができる
ため、砥石の長寿命化が図れる。また、砥石の摩耗部分
を継続使用する必要が無くなるため、加工品質も向上す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の研削加工装置の構成を示すＸ軸方向か
ら見た概略側面図。

【図２】ツルーイング工程を説明するＸ軸方向から見た
概略側面図、およびＡ−Ａ矢視断面図。

【図３】図２の方法でツルーイングを行った場合のワー
クと砥石の位置関係を説明するＸ軸方向からの概略側面
図。

【図４】砥石台の旋回、Ｙ軸サドルのＹ軸方向移動およ
びＺ軸スライドテーブルのＺ軸方向の移動の相関関係を
説明する図。

【図５】砥石台の旋回、Ｙ軸サドルのＹ軸方向移動およ
びＺ軸スライドテーブルのＺ軸方向の移動の相関関係を
説明する図。

【図６】研削を行う際のワークに対する砥石の相対的軌
跡を説明するＹ軸方向から見た概略平面図。

【図７】従来の球面加工方法を説明する図。

【図８】ツルーイングを説明する図。

【図９】従来の球面加工方法を説明する図。

【符号の説明】

Ｗワーク１０主軸台１１ワーク軸２０砥石台２１研削工具軸３０Ｙ方向移動装置（Ｙ軸サドル）３２旋回装置３３Ｘ方向移動装置（Ｘ軸スライドテーブル）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】先端部にワークが取り付けられるワーク軸
を回転可能に軸承するとともにＺ方向に進退可能な主軸
台と、研削工具が取り付けられる研削工具軸を回転可能に軸承
する砥石台と、前記砥石台を支持するとともに、前記Ｚ方向と直交する
Ｙ方向に前記砥石台を進退させるＹ方向移動装置と、前記Ｚ方向およびＹ方向と直交するＸ方向を向いた旋回
軸を中心として前記砥石台を旋回させる旋回装置と、を
備えたことを特徴とする研削加工装置。
【請求項２】Ｚ方向を向いたワーク軸にワークを取り付
けて回転させながら、研削工具軸に取り付けられた回転
する研削工具を前記ワークに接触させて前記ワークを研
削する研削加工方法において、一定の曲率を持った外周部を有する研削工具を用い、前記砥石台を前記Ｚ方向と直交するＸ方向を向いた旋回
軸回りに旋回させるとともにその旋回角度に応じて前記
研削工具をＺ方向およびＸ方向に直交するＹ方向に移動
させ、前記ワークと前記砥石の接触点のＹ座標を一定に
維持しながら、前記砥石の外周部の互いに異なる位置を
ワークに接触させて研削を行うことを特徴とする研削加
工方法。
【請求項３】前記ワーク軸にツルアーを装着するとも
に、前記研削工具軸に前記研削工具を装着して前記研削
工具軸を前記ワーク軸と直交させた状態で、前記研削工
具の外周に前記ワーク軸の軸線上に位置する点を中心と
した一定の曲率を与えるツルーイングが行われ、前記ツルーイング時における前記研削加工軸に対する前
記研削工具の装着状態を維持したまま、前記ワーク軸に
前記ツルアーに代えて装着されるワークに対して研削が
実施されることを特徴とする、請求項２に記載の研削加
工方法。